УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра биоорганической и биологической химии
КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:
Биологическое окисление.
Исполнители: студентки
педиатрического
факультета 223 группы
Заруба Н.С., Чащина Е.Е.
Руководитель: доцент,
к.м.н. Трубачев С.Д.
Рецензент:
Екатеринбург 2002.
Содержание.
I. Введение………………………………………………………………...3
II. Общие представления о биологическом окислении.
Окислительно-восстановительные системы и потенциалы……..3
III. Пути использования кислорода в клетке……………………………...5
- Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии.
Ферменты, их локализация и значение в процессах окисления…….5
IV. Этапы утилизации энергии питательных веществ…………………...6
V. Окислительное фосфорилирование……………………………………9
- Хемиосмотическая теория Митчелла……..……….………………..9
- Редокс – цепь окислительного фосфорилирования………………10
VI. Цикл Кребса…………………………………………………………21
- Открытие ЦТК……………………………………………………..22
- Реакции, ферменты. Регуляция…………………………………...23
VII. Макроэргические соединения и связи……………………………...29
VIII. Витамин РР. Участие в процессах окисления…………………….30
IX. Микросомальное окисление…………………………………………31
- Монооксигеназные реакции………………………………………31
- Диоксигеназные реакции………………………………………….32
- Цитохромы…………………………………………………………32
X. Пероксидазный путь использования кислорода…………………..33
XI. Ферментативная антиоксидантная защита…………………………34
- Супероксиддисмутаза, каталазы, пероксидазы………………….34
XII. Неферментативная антиоксидантная защита………………………35
- Витамины С, Е и Р…………………………………………….…...35
XIII. Заключение…………………………………………………………..38
XIV. Список литературы…………………………………………………..39
Введение.
В химии окисление определяется как удаление электронов, а восстановление - как присоединение электронов; это можно проиллюстрировать на примере окисления ферро-иона в ферри-ион:
Fe2+-e → Fe3+
Отсюда следует, что окисление всегда сопровождается восстановлением акцептора электронов. Этот принцип окислительно-восстановительных процессов в равной мере применим к биохимическим системам и характеризует природу процессов биологического окисления.
Хотя некоторые бактерии (анаэробы) живут в отсутствие кислорода, жизнь высших животных полностью зависит от снабжения кислородом. Кислород, главным образом, используется в процессе дыхания – последнее можно определить как процесс улавливания клеточной энергии в виде АТФ при протекании контролируемого присоединения кислорода с водородом с образованием воды. Кроме того, молекулярный кислород включается в различные субстраты при участии ферментов, называемых оксигеназами. Многие лекарства, посторонние для организма вещества, канцерогены (ксенобиотики) атакуются ферментами этого класса, которые в совокупности получили название цитохрома Р450.
Гипоксические нарушения метаболизма клетки занимают ведущее место в патогенезе критических состояний. Главную роль в формировании необратимости патологических процессов приписывают крайним проявлениям расстройства клеточного метаболизма. Адекватное обеспечение клетки кислородом является основным условием сохранения ее жизнеспособности.[12,1992]
Введением кислорода можно спасти жизнь больных, у которых нарушено дыхание или кровообращение. В ряде случаев успешно применяется терапия кислородом под высоким давлением; следует однако отметить, что интенсивная или продолжительная терапия кислородом под высоким давлением может вызвать кислородное отравление.[2,1994]
При написании данной работы перед нами стояла цель: изучить биологическое окисление и его значение в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Для этого мы рассмотрели:
- использование кислорода клеткой;
- источники энергии клетки – цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), окислительное фосфорилирование;
- микросомальное окисление;
- антиоксидантную защиту
Общие представления о биологическом окислении.
Окислительно-восстановительные системы и потенциалы.
Источник энергии, используемый для выполнения всех видов работ (химической, механической, электрической и осмотической) – это энергия химической связи. Высвобождение энергии углеводов, жиров, белков и других органических соединений происходит при их окислительно-восстановительном распаде. Высвобожденная энергия затрачивается на синтез АТФ.
Изменение свободной энергии, характеризующее реакции окисления и восстановления, пропорционально способности реактантов отдавать или принимать электроны. Следовательно, изменение свободной энергии окислительно-восстановительного процесса можно характеризовать не только величиной DG0', но и величиной окислительно-восстановительного потенциала системы (Ео). Обычно окислительно-восстановительный потенциал системы сравнивают с потенциалом водородного электрода, принимая последний за ноль, 0В при рН=0. Однако для биологических систем удобнее использовать окислительно-восстановительный потенциал при рН=7,0 (Ео'); при таком рН потенциал водородного электрода равен -0,42В.[10,1993]
Пользуясь таблицей 1, можно предсказать, в каком направлении пойдет поток электронов при сопряжении одной окислительно-восстановительной системы.
Таблица 1. Стандартные потенциалы некоторых окислительно-восстановительных систем.[10,1993]
| Система | Ео¢/ Вольт |
| Кислород/вода | +0,82 |
| Цитохром a: Fe3+/Fe2+ | +0,29 |
| Цитохром с: Fe3+/Fe2+ | +0,22 |
| Убихинон: окисл./восстан. | +0,10 |
| Цитохром b:Fe3+/Fe2+ | +0,03 |
| Фумарат/сукцинат | +0,03 |
| Флавопротеин: окисл./восстан. | -0,12 |
| Оксалоацетат/малат | -0,17 |
| Пируват/лактат | -0,19 |
| Ацетоацетат/гидрооксибутират | -0,27 |
| Липоат: окисл./восстан. | -0,29 |
| НАД+/НАДН | -0,32 |
| H+/H2 | -0,42 |
| Сукцинат/альфакетоглутарат | -0,67 |
Пути использования кислорода в клетке.
Существует три пути использования кислорода в клетке, которые характеризуются следующими реакциями:
1) оксидазный путь (90% поступившего кислорода восстанавливается до Н2О при участии фермента цитохромоксидазы)
02+4е+4Н+ → 2Н2О
2) оксигеназный путь (включение в субстрат одного атома кислорода - монооксигеназный путь, двух атомов кислорода -диоксигеназный путь) -монооксигеназный путь
-диоксигеназный путь
3) свободно-радикальный путь (идет без участия ферментов и АТФ не образуется).
Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии. Ферменты, их локализация и значение в процессе окисления.
Митохондрии справедливо называют "энергетическими станциями" клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Митохондриальную систему сопряжения окислительных процессов с генерацией высокоэнергетического интермедиатора АТФ называют окислительным фосфорилированием.
Митохондрии имеют наружную мембрану, проницаемую для большинства метаболитов, и избирательно проницаемую внутреннюю мембрану с множеством складок (крист), выступающих в сторону матрикса (внутреннего пространства митохондрий). Наружная мембрана может быть удалена путем обработки дигитонином; она характеризуется наличием моноаминоксидазы и некоторых других ферментов (например, ацил-КоА-синтетазы, глицерофосфат-ацилтрансферазы, моноацилглицерофосфат-ацилтрансферазы, фосфолипазы А2). В межмембранном пространстве находятся аденилаткиназа и креатинкиназа. Во внутренней мембране локализован фосфолипид кардиолипин.
В матриксе находятся растворимые ферменты цикла лимонной кислоты и ферменты b-окисления жирных кислот, в связи с этим возникает необходимость в механизмах транспорта метаболитов и нуклеотидов через внутреннюю мембрану. Сукцинатдегидрогеназа локализована на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны, где она передает восстановительные эквиваленты дыхательной цепи на уровне убихинона (минуя первую окислительно-восстановительную петлю). 3-гидроксибутиратдегид рогеназа локализована на матриксной стороне внутренней митохондриальной мембраны. Глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа находится на наружной поверхности внутренней мембраны, где она участвует в функционировании глицерофосфатного челночного механизма.[10,1993]
Этапы утилизации энергии питательных веществ.
Утилизация энергии питательных веществ - сложный процесс, который протекает в три стадии, согласно следующей схеме:
Схема 1. Стадии катаболизма питательных веществ.[1,1994]
На стадии 1 крупные молекулы полимеров распадаются на мономерные субъединицы: белки на аминокислоты, полисахариды на сахара, а жиры на жирные кислоты и холестеоролы. Этот предварительный процесс, называемый пищеварением, осуществляется главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На стадии 2 образовавшиеся небольшие молекулы поступают в клетки и подвергаются дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Большая часть углеродных и водородных атомов сахаров превращается в пируват, который, проникнув в митохондрии, образует там ацетильную группу химически активного соединения ацетилкофермента А (ацетил-СоА). Большое количество ацетил-СоА образуется также при окислении жирных кислот. На стадии 3 происходит полное расщепление ацетильной группы ацетил-СоА до СО2 и Н2О. Именно на этой заключительной стадии образуется большая часть АТФ. В серии сопряженных химических реакций больше половины той энергии, которую, согласно теоретическим расчетам, можно извлечь из углеводов и жиров при окислении их до Н2О и СО2, используется для осуществления энергетически невыгодной реакции Фн + АДФ ® АТФ. Поскольку остальная часть энергии, высвобождающейся при окислении, выделяется клеткой в виде тепла, результатом образования АТФ является общее возрастание неупорядоченности Вселенной, что полностью соответствует второму закону термодинамики.